Les isomères structuraux sont des composés de même formule chimique qui possèdent des structures et des propriétés différentes en fonction de l’ordre de leurs atomes constitutifs. Par exemple, il existe deux isomères de structure ayant la même formule chimique C4H10, à savoir le butane normal CH3CH2CH2CH3 et le méthylpropane (CH3)2CHCH2CH3. Il est intéressant de noter que le butane normal bout à -0.5 degrés Celsius, tandis que le méthylpropane bout à +28 degrés Celsius. Au fur et à mesure que le nombre d’atomes augmente, le nombre d’isomères augmente. Il existe trois isomères de structure de formule chimique C5H12, cinq de formule C6H14 et neuf de formule C7H16.
Les isomères structurels du carbone ne se limitent pas seulement au carbone et à l’hydrogène, bien que ce soient les exemples les plus connus d’isomérie structurelle. Dans l’armoire à pharmacie domestique, on peut trouver du C3H8O, ou de l’alcool isopropylique, parfois identifié comme l’alcool à friction. Sa formule structurelle est CH3CH(OH)CH3. De plus, il existe de l’alcool n-propylique, CH3CH2CH2(OH) et même de l’éther méthyléthylique, CH3OCH2CH3, bien qu’aucun de ces deux composés ne soit susceptible d’être trouvé dans la maison. Il existe également des isomères structuraux de composés carbonés contenant d’autres atomes.
Ce qui rend possible une telle abondance de formes isomères, c’est la capacité des atomes de quelques éléments – notamment le carbone – à se joindre les uns aux autres. Cela est dû à la nature des liaisons entre les atomes. Les atomes de carbone adjacents sont reliés par des liaisons covalentes, des liaisons dans lesquelles les atomes participants partagent des électrons de manière égale, plutôt que de les transférer d’un atome à l’autre. Pour illustrer, dans le sel de table ordinaire, NaCl, l’atome de sodium participant cède son seul électron disponible à l’atome de chlore, et les deux atomes sont attirés électrostatiquement. Rien de tel n’existe entre les atomes de carbone joints dans l’éthane, C2H6.
Le silicium et le bore possèdent la même capacité à se lier sans transfert d’électrons. Les isomères structuraux du silicium et du bore sont bien illustrés dans les silanes – composés de silicium et d’hydrogène – et les boranes – composés de bore et d’hydrogène. Les composés de carbone et d’hydrogène commencent par la molécule de méthane, CH4. De manière analogue, les composés de silicium et d’hydrogène commencent par le silane, SiH4. Fait intéressant, les composés du bore et de l’hydrogène commencent différemment avec le borane, BH3 – un composé connu uniquement à l’état gazeux qui se dimérise rapidement pour former B2H6.
La capacité à former des isomères structuraux augmente considérablement le nombre de composés possibles avec une gamme presque infinie de propriétés. Dans le cas du carbone, les isomères structuraux rendent possibles les composés de la vie. Pour le silicium et le bore, la grande variété de composés offre au monde scientifique et industriel une pléthore de réactifs. Une application des dérivés de silane est dans les revêtements qui permettent à des matériaux biologiquement inoffensifs d’être attachés aux structures d’implants en titane. Quant aux boranes, ils peuvent être utilisés dans des synthèses organiques spécialisées, dans des piles à combustible exotiques, voire pour du carburant pour fusées.